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LED照明:史上最高效率和最低价格咫尺之遥

发布时间: 2018-3-18

不久的将来,白色led很可能达到200lm/W,成为史上效率最高的光源,价格也将低于荧光灯,直逼白炽灯泡。任何装置、任意地点都能使用LED照明的时代即将到来。

  受到2011311日的大地震和海啸的影响,日本关东地区和东北地区陷入了严重的缺电状态。为了填补核电站停运的缺口,新发电设备的必要性日益提高,而且,控制电力消费也成了当务之急。

  在此情况下,可立竿见影取得节电效果的“LED照明受到关注。照明占全日本用电量的约2成。而LED化就是使用能源效率较高的LED照明,减少用电量。

  LED化的活跃也表现在了数字上。例如,GfK Marketing Services Japan发布的资料显示,20113月中旬以后,LED泡在日本国内的销量快速增加。到4月的第2周,LED灯泡在全部灯泡中所占的数量比例为27.1%,金额比例为67.0%,都创下了历史最高纪录。尤其是在面临电力短缺的关东甲信越地区,该周的销量比上年增加182.1%,远远高于全国120.4%的平均增幅。

  企业采用LED照明的行动也十分活跃。例如,连锁便利店日本7-11公司决定从20115月开始,以东京电力公司辖区为中心,把约5000店铺的店内照明和店面指示牌逐步换成LED

  销量是上年的34

  照明的LED化并非始于现在。不只是日本,其他各国也在积极采用。这是因为LED照明器具配备的白色LED的寿命超过4万小时,约是荧光灯的4倍,因此更换频率较低,而且具有耗电量比荧光灯低1040%的优势。

  在日本,为了应对20104月实施的《节能法》修订版,采用LED照明的企业越来越多。LED企业的照明用白色LED供货量陡增,西铁城电子公司称,“2010年的供货量增加到了上年的34

  LED化的繁荣景象归功于白色LED价格的走低。在过去,白色LED的价格一直高于白炽灯泡和荧光灯等传统光源。在路灯等部分照明使用白色LED2005年,光通量1lm的单价(亮度单价)约为10日元/lm。比白炽灯泡的0.10.2日元/lm,荧光灯的0.30.6日元/lm不是一个数量级。但白色LED的亮度单价正在以每年30%以上的速度下降,进入2011年后,全行业的平均水平已经降到了约0.7日元/lm。提供给大宗客户的价格更是只有0.40.5日元/lm,直逼荧光灯(图1)。


1:史上最低价的光源近在眼前

  白色LED20115月的亮度单价平均约为0.7日元/lm(以发光效率为先的类型)。亮度单价正在以每年约30%的速度降低,如果保持这个速度,到2015年将跌破0.2日元/lm

  据远藤照明称,随着照明器具中光源所占的成本下降,在现如今,“LED照明价格必然高已是往日云烟。初期投资高这一采用LED照明的门槛已经有所降低,这是LED照明以东日本大地震为契机更加受到关注的原因所在。

  单价与白炽灯泡相当

  白色LED的单价下跌今后估计还会持续一段时间。很多企业都认为,单价会以每年30%的速度下降或是更快。如果长此以往,到2015年,单价将跌破0.2日元/lm,达到称得上与白炽灯泡相同的水平(注1)。

  (注1)即使白色LED与白炽灯泡的亮度单价相同,照明器具的部件成本也不尽相同。因为利用交流电点亮白色LED需要使用ACDC转换电路和散热部件。现在,对于LED灯泡,白色LED在生产成本方面约占40%。

  不要忘记,白色LED的发光效率在今后几年还会继续提高(图2)。从现在的发光效率来看,照明用高端品种在目录上记载的是130140lm/W,在实际使用条件下为110120lm/W,安装在照明器具上的综合效率为100lm/W左右(注2)。目录值高达200lm/W的白色LED估计会于20122013年出现在市场上。某海外LED企业表示,在实际使用条件下达到200lm/W的类型估计也会在5年内投产

  (注2)根据白色LED的电量情况,发光效率各不相同。以输入功率为1W的产品为例,目录值上的发光效率一般是脉冲状通过350mA电流时的数值。发光部分的温度(接合温度)基本为室温(25℃)。按照一般看法,实际在照明器具中使用时,接合温度将上升到85100℃,发光效率会比目录值低1015%。而且,从照明器具整体来看,电源电路和光学部件还存在损耗。因此,综合效率会比白色LED的目录值低2030%。

2200lm/W唾手可及

  白色LED自从1996年问世以来,发光效率一直在不断提高(a)。在意欲引领技术开发的LED企业中,还有些企业计划率先于20122013年向市场投放200lm/W产品(b)。

  到那个时候,价格之低媲美白炽灯泡,而且效率超越历史最高的高压钠灯的光源将唾手可得。任何装置、任意地方都能使用LED照明的时代将随之到来。

  在白色LED低价格化和高效率化趋势的背后,是不断增加的LED需求的支撑。如今,带动LED市场的是液晶电视用背照灯光源。背照灯用和照明用白色LED的形状和输入功率虽然各异,但封装内安装的蓝色LED芯片的生产工艺却基本相同。背照灯用白色LED生产效率的提高基本会直接过渡到照明用途。

  这一趋势持续23年后,带动市场的龙头估计会逐渐转向照明器具用途,市场将继续扩大(图3)。

3:面向主要应用的LED芯片年需求量将超过1000亿个

  各种液晶面板、照明器具、车载装置使用的LED芯片的需求动向如图所示。总数预计将在2015年超过每年1000亿个。照明器具和车载装置等其他用途也增幅巨大。

  利用传感器和IT实现智能照明

  获得低价且高效的白色LED后,过去没有从事照明的企业就有了涉足照明业务的土壤(图4)。

4LED企业的行业门类增多

  把配备白色LED的装置和相关服务作为业务的企业越来越多。新进企业的行业门类繁多,从建筑商到IT类商社和企业、办公家具企业应有尽有。这些企业将把使用白色LED的照明装置与传感器、通信技术联动,实现开关灯、调光控制等功能。

    从前面提到的电力短缺问题出现之前开始,除了装置企业之外,建筑商和IT企业就一直把用于温室气体减排的节能装置和系统作为新业务开展。这些装置和系统能够借助人体传感器和照度传感器等传感器与IT联动的亮度控制,使约占耗电量2成的照明实现节能。

    LED照明推进协议会表示,以白色LED为首,LED“能够以毫秒和微秒进行控制。与IT的整合性好。而且,亮度变化对于输入电流的追随性也公认较高。这一特征能够在与传感器联动和精密调光等方面发挥威力。

    通过与IT联动,照明还有望进一步提高功能。利用LAN控制照明的举措也已经成为了IT类企业和研究机构的热点。利用IPv6网络,除了LED照明器具外,还向作为光源的白色LED逐一分配IP地址,精密控制照明的研究开发也在进行。随着核心部件白色LED价格降低,利用这些特点的系统也就降低了实用化的门槛。

 

  

而且,对于光源的使用者,一个好消息是采购以薄型面光源为特征的照明用有机EL面板将更加容易。各公司计划从2011年开始,一齐向市场投放这种面板(表1)。按照目前的看法,到2014年,效率高于荧光灯,仅次于白色LED的有机EL照明有望投入实用,与白色LED分别应用于适宜的用途。

 

      

 日亚到2012年使产能增加到500亿个

  白色LED使用者的美好时代即将到来,而LED企业却处在微妙的立场上。因为除了扩大业务的机会,企业必须面临的,还有比以往更加严酷的竞争。

  各家LED企业已经全部实施了产能强化措施。LED企业的生存竞争已经开始。

  例如,LED企业份额居首的日亚化学工业公司将扩充以白色LED为基础的GaN类半导体LED芯片生产线,到2012年,把产能增强到年产500亿个,是2009年的4倍(图5a))。首尔半导体日本公司称,韩国首尔半导体公司(Seoul Semiconductor“2010年初的月产量仅为10亿个,但是,只要新建生产线顺利投产,月产量就能够在2011年内增至22.5亿个。已经把产能加倍的德国欧司朗光电半导体公司(OSRAM Opto Semiconductors)也认为必须进一步强化,表示如果在今后5年内不把生产规模增加1位数,就将无法维持价格竞争力

  在抓紧强化产能方面,中国等新兴市场国家的企业同样如此。中国企业正在加快速度强化蓝色LED芯片生产装置的关键——GaN类半导体层成形使用的MOCVD装置。按照iSuppli Japan的估算,2012年,中资企业的产能将扩大到全球的40%(图5b))。

    

5:强化LED芯片产能

  面对旺盛的LED芯片需求,LED企业正在加紧强化产能。例如,日亚化学工业将在2012年前,把产能强化到500亿个/年(换算成300μm见方的LED芯片)(a)。分地区来看,中国的年产能增长显著。(图:(b)为iSuppli Japan

     但也有不少看法认为LED企业强化设备的油门踩得过猛。丰田合成表示,因为从整体需求来看,LED企业保有的MOCVD装置数量在目前也略显过剩

        “韩国三星LED公司(Samsung LED)起初新订了150MOCVD装置,但在这半年间取消了相当的数量Display Search),由此可见,供应过剩的风险已经成为了现实。

  同时提高性能

  面对陷入过度竞争的风险,LED企业为了把握市场扩大的商机,正在抓紧提高效率扩大产量、重审业务体制(图6)。

        

 

6LED企业生存的关键

  在价格持续下跌的情况下,LED企业为生存而采取的行动愈发活跃。生存的关键大致有二。一是通过扩大产量降低生产成本。二是重审业务范围、销路、产品开发等业务体制。

 

对于前者,在扩大生产线、扩大晶圆口径的同时提高生产线效率必不可少。其方式就是利用更小的LED芯片得到同样的亮度,增加1枚晶圆能够切割出的芯片数量,并且提高目前约为60%的成品率。与此同时,色调和均匀性等白色LED的课题也必须得到改善(注3)。

  (注3)对于电池驱动的装置使用的光源,开发定制白色LED是有效方式。例如,丰田合成公司与大型装置企业进行探讨,通过采用正向电压不足3V等规格,取得了业务成功。

        扩大业务范围意味着广泛参与LED照明的供应链以确保利润。就是发挥LED企业充分了解白色LED使用经验的优势,涉足直接安装在LED照明器具上的光源模块,乃至LED照明器具(图7)。

7:扩大业务领域

 LED企业除了扩充产能之外,还把业务领域扩大到了供应链下游。在照明LED市场的扩大已成定局的情况下,各企业希望借其东风,提高销售额和利润。

    对于LED企业,这种方式存在与客户——模块企业和照明器具企业竞争的危险性。但美国安华高科技公司表示,从现状来看,“LED照明器具领域广泛,(我们)推出的是不与客户冲突的产品,业务范围已经扩大到了LED模块的西铁城电子公司表示,因为能够缩短LED照明器具的开发期,所以照明器具企业反而表达了善意

    西铁城电子上市模块的特点是不使用ACDC转换电路,能够直接利用交流电点亮白色LED(图8)。对于照明器具企业,能够省去设计电源电路的工夫是其优势所在。

   

8:能够利用交流直接驱动的白色LED模块

  西铁城电子的白色LED模块不使用AC-DC转换电路。在此之前,不借助该电路,利用交流电力直接点亮也能够实现,但非点亮时间(关闭时间)占整体的50%,会发生闪烁。西铁城电子通过改进电路,使这段时间减半到了25%。

    iSuppli Japan指出,扩大业务范围重要的是把合作也包括在内,进一步进行扩大,确保生产出的LED芯片都有销路。因为考虑到中国的新兴LED企业今后会扩大低价芯片的供货量,现有LED企业生产的LED芯片很可能在市场上出现过剩局面。

 

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